UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTIAGO DE...

UNIVERSIDAD CATÓLICA

DE SANTIAGO DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE EDUCACIÓN TÉCNICA

PARA EL DESARROLLO

CARRERA DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES

TEMA:

Diseño e implementación de un seguidor de línea velocista

controlado con función PID utilizando un Atmega 32u4

AUTOR:

Vega Zambrano, Robert Andrés

Componente práctico del examen complexivo previo a la

Obtención del título de INGENIERO EN

TELECOMUNICACIONES

REVISOR:

Palacios Meléndez, Edwin Fernando

Guayaquil, Ecuador

8 de Marzo del 2018



FACULTAD DE EDUCACIÓN TÉCNICA PARA EL DESARROLLO


CERTIFICACIÓN

Certificamos que el presente componente práctico del examen

complexivo, fue realizado en su totalidad por Vega Zambrano, Robert

Andrés como requerimiento para la obtención del título de INGENIERO EN

TELECOMUNICACIONES.

REVISOR

________________________

Palacios Meléndez, Edwin Fernando

DIRECTOR DE CARRERA

________________________

Heras Sánchez, Miguel Armando

Guayaquil, a los 8 días del mes de Marzo del año 2018





DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD

Yo, Vega Zambrano, Robert Andrés

DECLARO QUE:

El componente práctico del examen complexivo, Diseño e

implementación de un seguidor de línea velocista controlado con

función PID utilizando un Atmega 32u4 previo a la obtención del Título de

Ingeniero en Telecomunicaciones, ha sido desarrollado respetando

derechos intelectuales de terceros conforme las citas que constan en el

documento, cuyas fuentes se incorporan en las referencias o bibliografías.

Consecuentemente este trabajo es de mi total autoría.

En virtud de esta declaración, me responsabilizo del contenido, veracidad y

alcance del Trabajo de Titulación referido.


EL AUTOR

______________________

VEGA ZAMBRANO, ROBERT ANDRÉS





AUTORIZACIÓN

Yo, Vega Zambrano, Robert Andrés

Autorizo a la Universidad Católica de Santiago de Guayaquil a la

publicación en la biblioteca de la institución del componente práctico del

examen complexivo, Diseño e implementación de un seguidor de línea

velocista controlado con función PID utilizando un Atmega 32u4, cuyo

contenido, ideas y criterios son de mi exclusiva responsabilidad y total autoría.


EL AUTOR

______________________


REPORTE DE URKUND

VI

DEDICATORIA

A Dios, por la primera oportunidad.

A la vida, por todas mis decisiones.

A mi madre, por todo su sacrificio.

EL AUTOR


VII

AGRADECIMIENTO

A todas las personas que influyeron en mí durante el transcurso de toda

mi carrera. A quienes me brindaron su apoyo, y a quienes decidieron no

hacerlo.

Me enseñaron mucho, se los agradezco.

EL AUTOR


VIII





TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN

f._____________________________

MANUEL DE JESUS ROMERO PAZ

DECANO

f._____________________________

MIGUEL ARMANDO HERAS SÁNCHEZ

DIRECTOR DE CARRERA

f._____________________________

LUIS SILVIO CORDOVA RIVADENEIRA

OPONENTE

IX

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................... XI

Resumen .................................................................................................... XIII

CAPÍTULO 1: DESCRIPCIÓN DEL COMPONENTE PRÁCTICO ................ 14

1.1. Introducción. ....................................................................................... 14

1.2. Objetivo General. ............................................................................... 15

1.3. Objetivos Específicos. ........................................................................ 16

CAPÍTULO 2: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. ........................................... 17

2.1. Orígenes de microcontrolador y microprocesador. ............................. 17

2.2. Microprocesadores. ............................................................................ 18

2.3. Microcontrolador. ................................................................................ 19

2.4. Terminales Entradas y/o Salidas. ....................................................... 20

2.5. Comparador Analógico ....................................................................... 21

2.6. Conversor Analógico – Digital ............................................................ 21

2.7. Conversor Digital – Analógico ............................................................ 22

2.8. Codificador magnético ........................................................................ 23

2.9. Control PID ......................................................................................... 24

CAPÍTULO 3: DESARROLLO DEL COMPONENTE PRÁCTICO. ................ 28

3.1. Equipo electrónico y material necesario para la implementación del

robot. .................................................................................................. 28

3.1.1. Microcontrolador AVR ATMEGA32u4 ................................................ 28

3.1.2. Puente H o controlador de los motores IFX9201SG .......................... 29

3.1.3. Sensor Reflectante QRE1113 ............................................................ 31

3.1.4. Motores de corriente continua DC POLOLU relación 10:1 ................. 32

3.1.5. Codificador magnético para motor POLOLU DC ................................ 33

3.1.6. Dispositivo integrado regulador de voltaje Motorola MC33269 .......... 34

X

3.1.7. Dispositivo convertidor reductor de corriente continua Texas

Instruments TPS54340 ....................................................................... 35

3.1.8. Modulo Inercial iNEMO....................................................................... 36

3.1.9. Módulos de receptor infrarrojo TSOP4840 ......................................... 37

3.1.10.Multiplexor analógico / demultiplexor de 16 canales de alta velocidad

CMOS CD74HC4067 ......................................................................... 39

3.2. Diseño de la placa de circuito impreso PCB....................................... 40

3.3. Código de control con sistema de control proporcional, integral y

derivativo PID. .................................................................................... 43

Conclusiones ................................................................................................ 47

Recomendaciones ........................................................................................ 48

Referencias bibliográficas. ............................................................................ 49

XI

ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 2:

Figura 2. 1: Diagrama de bloques general de un microprocesador ............. 18

Figura 2. 2: Diagrama de bloques de un microcontrolador. ......................... 19

Figura 2. 3: Ejemplo de un diagrama de bloques de control PID. ................ 25

Capítulo 3:

Figura 3. 1: Diagrama de salida de pines de un microcontrolador

ATmega32u4. .............................................................................................. 29

Figura 3. 2: Diagrama de salida de pines de un controlador IFX9201SG. . 31

Figura 3. 3: Diagrama de estructura de un sensor reflectante QRE1113. ... 32

Figura 3. 4: Imagen de un motor dc POLOLU con relación 10:1. ................ 33

Figura 3. 5: Imagen de codificador magnético POLOLU. ............................. 34

Figura 3. 6: Diagrama de distribución de puertos del integrado TPS54340. 35

Figura 3. 7: Esquemático simplificado de funcionamiento del integrado

TPS54340. ................................................................................................... 36


TPS54340. ................................................................................................... 37


TPS54340. ................................................................................................... 38

Figura 3. 10: Diagrama de distribución de puertos del integrado CD74HC467.

..................................................................................................................... 40

Figura 3. 11: Diagrama esquemático de elementos principales del prototipo

seguidor de línea. ........................................................................................ 41

. Figura 3. 12: Diagrama de limites periféricos y elementos principales del

prototipo seguidor de línea. ......................................................................... 41

Figura 3. 13: Diagrama de distribución de pistas del prototipo seguidor de

línea. ............................................................................................................ 42

Figura 3. 14: Diagrama de distribución completa del prototipo seguidor de

línea. ............................................................................................................ 42

Figura 3. 15: Simulación en tres dimensiones del prototipo finalizado. ........ 43

Figura 3. 16: Declaración de variables que se usarán en funciones. ........... 43

Figura 3. 17: Creación de función SET_MOTORS para control de motores. 44

XII

Figura 3. 18: Creación de función QTRreadLine para detectar línea negra. 44

Figura 3. 19: Configuración de variables entrada/salida y calibración. ........ 45

Figura 3. 20: Creación del bucle principal utilizando control PID. ................ 46

XIII

Resumen

La creación de este trabajo de titulación se basó de primera mano, en

una pequeña investigación de tipo bibliográfica enfocada en los seguidores de

líneas, para poder concretar las definiciones que son fundamentales conocer,

para entender cómo funcionan los distintos tipos de controles existentes.

Cuando se realizó la búsqueda, se pudo revisar y analizar los planes y

proyectos que se encontraron en su mayoría dentro del servidor de

publicaciones técnicas y tecnológicas profesionales pertenecientes al Instituto

de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronics

Engineers, IEEE) que está establecido actualmente en Internet. Se entendió

los parámetros y condiciones que debería tener un seguidor de línea velocista,

y también, en los distintos tipos de controles que existen en el mundo de la

automatización. En el caso actual, se utilizó un control PID para poder tener

una respuesta inteligente y lo más inmediatamente posible del robot en sus

motores. Una vez entendido todo esto, se procedió a trabajar en el desarrollo

de la placa de circuito impreso (Print Circuit Board, PCB) en el programa

Altium Designer. Para poder realizar la programación, se utilizó el entorno de

desarrollo integrado (Integrated Development Environment, IDE) que posee

Arduino para el microcontrolador Atmega 32u4.

Palabras claves: SEGUIDOR DE LINEA, ATMEGA 32U4, PID, IDE,

ARDUINO, PCB, MICROCONTROLADOR.

14

CAPÍTULO 1: DESCRIPCIÓN DEL COMPONENTE PRÁCTICO

1.1. Introducción.

Los circuitos integrados se han implementado en muchas aplicaciones,

hardware y software de microcontroladores, tecnologías de interfaz, teoría de

control automático y tecnologías de sensores, etc. Los usos de estos circuitos

integrados aumentan día a día. Muchos investigadores construyen su

compañía en el área del sistema de robótica. Un robot puede trabajar en

condiciones difíciles lo que el humano no puede hacer a veces.

En este documento, se distribuye un sistema de control de un robot, su

controlador y sensores de control y la infraestructura. El robot seguidor de

línea es un robot móvil que puede detectar y seguir la línea de sorteo.

Básicamente, la ruta está predefinida y puede verse como una línea en blanco

y negro con un color de alta resolución. El robot podrá elegir la línea de deseo

entre múltiples líneas de forma autónoma. El robot puede diferenciar entre

varios colores y elegir uno deseado para encontrar su objetivo. El robot debe

detectar la línea con los sensores de Rayos Infrarrojos (IR) que se han

instalado debajo del cuerpo frontal del robot. Los sensores IR transmiten datos

de detección al procesador y el comando de acción de decisión de diseño se

envía a través del controlador de motor de robótica. Este es un escenario de

Red de Actuador de Sensor.

En este proyecto, el microcontrolador basado en ATMEGA 32u4

reacciona a los datos recibidos de los sensores de Rayos Infrarrojos (IR) para

15

proporcionar un movimiento rápido, suave, preciso y seguro en un entorno

estructural particular. El robot podrá avanzar con un sistema de control

cerrado efectivo.

La operación básica de un robot seguidor de línea:

Capture la posición de la línea con sensores ópticos, que están

montados frente a la infraestructura del robot. El proceso de detección

requiere un color de alta resolución.

Los motores de corriente continua siguen la línea aplicando filtro PID

digital o cualquier otro algoritmo.

El control de la velocidad del motor es determinante por la línea blanca

y negra.

Este tipo de robot se puede utilizar para fines militares, servicios de

entrega, industria autónoma, sistemas de transporte y aplicaciones de

asistencia ciega. Físicamente, un robot seguidor de línea tiene cinco partes,

entre ellas Chasis y cuerpo, Sensores y circuitos de procesamiento de señal,

Microcontrolador, Accionadores de motor, Actuadores (Motores y ruedas).

1.2. Objetivo General.

Realizar el diseño, simulación, implementación y programación de un

robot que cumpla con los requisitos estándares de seguidor de línea tipo

velocista utilizando control PID en su lógica programable mediante el

microcontrolador Atmega 32u4.

16

1.3. Objetivos Específicos.

a. Realizar una colección de información sobre control PID y su

utilización en un robot seguidor de línea.

b. Desarrollar el circuito electrónico utilizando el software Altium

Designer.

c. Elaborar la simulación de la placa de circuito impreso con sus

respectivos componentes electrónicos.

d. Desarrollar el código de programación del seguidor de línea velocista

utilizando control PID.

17

CAPÍTULO 2: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA.

2.1. Orígenes de microcontrolador y microprocesador.

En estas últimas dos décadas se ha podido apreciar la introducción de

una tecnología que ha cambiado radicalmente la forma en que se analiza y se

controla el mundo que nos rodea. Nacido de desarrollos paralelos en

arquitectura de computadoras y fabricación de circuitos integrados, el

microprocesador, o 'computadora en un chip', se convirtió en realidad

comercial en 1971 con la introducción del 4-bit 4004 por una compañía

pequeña y desconocida con el nombre de Corporación Intel. Otras firmas de

semiconductores, más consolidadas, pronto siguieron la tecnología pionera

de Intel, de modo que a fines de la década de 1970 se podía elegir entre una

media docena de tipos de microprocesadores. (Atmel, 2010)

La década de 1970 también vio el crecimiento del número de usuarios

de computadoras personales de un puñado de aficionados y 'hackers' a

millones de usuarios de empresas, gobiernos industriales, defensa, educación

y usuarios privados que ahora disfrutan de las ventajas de la informática de

bajo costo. (Atmel, 2010)

Un subproducto del desarrollo del microprocesador fue el

microcontrolador. Las mismas técnicas de fabricación y conceptos de

programación que hacen posible el microprocesador de uso general también

produjeron el microcontrolador.

18

2.2. Microprocesadores.

Un microprocesador, como se conoce el término, es una unidad central

de procesamiento de computadora digital (CPU) de propósito general. Aunque

popularmente se lo conoce como "computadora en un chip", el

microprocesador no es de ninguna manera una computadora digital completa.

(STmicroelectronics, 2013)

La Figura 2.1 muestra un diagrama de bloques de una CPU

microprocesadora, que contiene una unidad aritmética y lógica (ALU), un

contador de programa (PC), un puntero de pila (SP), algunos registros de

trabajo, un circuito de sincronización de reloj y circuitos de interrupción.

Figura 2. 1: Diagrama de bloques general de un microprocesador

Elaborado por: Autor

Para hacer un microordenador completo, se debe agregar memoria,

generalmente memoria de programa de solo lectura (ROM) y memoria de

datos de acceso aleatorio (RAM), decodificadores de memoria, un oscilador y

una cantidad de dispositivos de entrada / salida (E/S) como puertos de datos

paralelos y seriales. Además, se pueden agregar dispositivos de propósito

especial, como manejadores de interrupción o contadores, para que la CPU

19

consuma tiempo y dedique tareas de recuento o temporización. Equipar el

microordenador con un dispositivo de almacenamiento masivo, comúnmente

una unidad de disco flexible, y periféricos de E/S, como un teclado y una

pantalla con tubo de rayos catódicos (CRT), produce una pequeña

computadora que se puede aplicar a una gama de aplicaciones de software

de propósito general. (STmicroelectronics, 2013)

2.3. Microcontrolador.

La Figura 2.2 muestra el diagrama de bloques de un microcontrolador

típico, que es una verdadera computadora en un chip. El diseño incorpora

todas las características que se encuentran en una CPU de microprocesador:

ALU, PC, SP y registros. También ha agregado las otras características

necesarias para hacer una computadora completa: ROM, RAM, E / S

paralelas, E / S en serie, contadores y un circuito de reloj.

Figura 2. 2: Diagrama de bloques de un microcontrolador.


20

Al igual que el microprocesador, un microcontrolador es un dispositivo

de propósito general, pero que está destinado a captar datos, realizar cálculos

limitados sobre esos datos y controlar su entorno en función de esos cálculos.

El uso principal de un microcontrolador es controlar el funcionamiento de una

máquina utilizando un programa fijo que se almacena en la ROM y que no

cambia durante la vida útil del sistema.

2.4. Terminales Entradas y/o Salidas.

Una de las características más importantes del microcontrolador es una

serie de pines de entrada / salida utilizados para la conexión con periféricos.

En este caso, hay en total treinta y cinco pines de E / S de propósito general

disponibles, lo cual es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

(Fairchild, 2009)

Para que la operación de los pines pueda coincidir con la organización

interna de 8 bits, todos ellos, de forma similar a los registros, se agrupan en

cinco puertos llamados denotados por A, B, C, D y E. Todos tienen varias

características en común:

Por razones prácticas, muchos pines de E/ S tienen dos o tres

funciones. Si se utiliza un pin como cualquier otra función, no se puede usar

como un pin de entrada / salida de propósito general. Cada puerto tiene su

"satélite", es decir, el registro TRIS correspondiente: TRISA, TRISB, TRISC,

etc. que determina el rendimiento, pero no el contenido de los bits del puerto.

21

2.5. Comparador Analógico

Un comparador es un dispositivo con dos terminales de entrada, inversor

y no inversor, y una salida que generalmente oscila de un raíl a otro. También

lo es un amplificador operacional. Un comparador tiene baja compensación,

alta ganancia y alto rechazo en modo común. Lo mismo ocurre con un

amplificador operacional.

Un comparador tiene una salida lógica que indica cuál de las dos

entradas tiene un potencial mayor. Si su salida es TTL o CMOS compatible (y

muchos comparadores lo son), siempre está destinado a estar en un carril u

otro, o hacer una transición rápida entre los dos. (Motorola, 2005)

Los amplificadores operacionales tienen alta ganancia, baja

compensación y alto rechazo en modo común. Usualmente tienen una

corriente de polarización más baja y son más baratos que los comparadores.

Además, los amplificadores operacionales suelen estar disponibles en

paquetes de dos o cuatro; si necesita tres amplificadores operacionales y un

comparador, parece inútil comprar cuatro amplificadores operacionales, no

usar uno de ellos, y luego comprar un comparador por separado.

2.6. Conversor Analógico – Digital

La función básica del conversor analógico digital (ADC) se podría

denominarse cuantificador. La mayoría de los chips ADC también incluyen

algunos de los circuitos de soporte, como el oscilador de reloj para el reloj de

muestreo, la referencia (REF), la función de muestreo y retención y los

22

pestillos de datos de salida. Además de estas funciones básicas, algunos

ADCs tienen una circuitería adicional incorporada. Estas funciones podrían

incluir multiplexores, secuenciadores, circuitos de calibración automática,

amplificadores de ganancia programables (PGA), etc. (Vishay

Semiconductors, 2018)

De forma similar a los DAC, algunos ADC utilizan referencias externas y

tienen un terminal de entrada de referencia, mientras que otros tienen un

resultado de una referencia interna. En algunos casos, el ADC puede tener

una referencia interna que se fija a través de una resistencia. Esta conexión

permite que la referencia sea filtrada (usando la R interna y una C externa) o

permitiendo que la referencia interna sea saturada por una referencia externa.

La familia de piezas AD789X es un ejemplo de ADC que utiliza este tipo de

conexión. Los ADC más simples, por supuesto, no tienen ninguno: la

referencia está en el chip ADC y no tiene conexiones externas.

2.7. Conversor Digital – Analógico

Lo que comúnmente se denomina DAC hoy en día es bastante más

sencillo su definición. El DAC generalmente tendrá el convertidor y una

colección de circuitos de soporte integrados en el chip.

Los primeros DAC fueron diseños de nivel de placa, construidos a partir

de componentes discretos, incluidos los tubos de vacío como elementos de

conmutación. Los DAC monolíticos comenzaron a aparecer a principios de los

70. Estos primeros ejemplos fueron en realidad sub bloques del DAC. Un

23

ejemplo de esto sería el AD550, que era una fuente de corriente de 4 bits

binariamente ponderada. Este bloque de fuente de corriente estaría acoplado

a una parte separada, como el AD850, que contenía una matriz de resistencia

y conmutadores CMOS. Juntos, estos formarían el DAC básico. (Dynamics

research, 2002)

Los ADC que tienen terminales de referencia deben, por supuesto,

especificar su comportamiento y parámetros. Si hay una entrada de

referencia, la primera especificación será la tensión de entrada de referencia

y, por supuesto, tiene dos valores, la clasificación máxima absoluta y el rango

de voltajes sobre los que el ADC funciona correctamente.

2.8. Codificador magnético

Los codificadores magnéticos se desarrollaron para reemplazar los

codificadores de contacto en aplicaciones limitadas por la velocidad de

rotación. Los codificadores magnéticos funcionan al detectar un cambio de

frecuencia resonante, un cambio de magnetización o una saturación

magnética en un inductor. Para cada método, la inducción de flujo por el disco

magnéticamente codificado afecta el cambio al ayudar o inhibir un estado

existente. Por lo tanto, para cada principio, existen dos estados normales

correspondientes a uno lógico o cero. (Dynamics research, 2002)

El tipo de frecuencia resonante utiliza un circuito sintonizado, cuya

frecuencia representa un estado lógico y la desafinación del circuito que

representa el estado lógico opuesto. En el método de saturación magnética,

24

el inductor está saturado o no saturado. Alternativamente, la reticencia del

circuito magnético se traduce efectivamente en unos lógicos y ceros. La

resolución está limitada por el tamaño del punto magnetizado y complicada

por la interacción entre puntos magnetizados en pistas adyacentes. Los

codificadores magnéticos superan la limitación básica de velocidad de los

codificadores de contacto y ofrecen una mayor longevidad al eliminar el

contacto físico entre el disco y el sensor. (Dynamics research, 2002)

2.9. Control PID

El control PID son siglas que provienen de las palabras: proporcionales,

integrales y derivativas respectivamente. Tal como se puede observar en la

figura 2.3, es un control que realiza todas estas acciones y las adiciona en una

sola salida para poder llegar a una respuesta idónea deseada. Este tipo de

control tiene como principal característica la retroalimentación, que no, es

más, que poder tener de referencia la salida anterior del mismo sistema

nuevamente al principio del mismo. Todo esto se realiza con el fin de que el

mismo sistema se corrija, entre más veces se repita el ciclo, se aproximará lo

más posible a la respuesta deseada. (Honeywell, 2006)

El control de realimentación continuo ofrece la posibilidad de mejorar la

operación de la planta al mantener variables seleccionadas cerca de su valor

deseado. En primer lugar, el rendimiento de todo el sistema de

retroalimentación depende de la estructura del algoritmo y los parámetros

utilizados en el algoritmo. En segundo lugar, todos los otros elementos son

equipos de proceso e instrumentación, que son costosos y lentos para

25

modificar, por lo que un área clave de flexibilidad en el ciclo es el cálculo del

control. En tercer lugar, aunque los ingenieros usan solo algunos algoritmos,

como se explicará, son responsables de determinar los valores de los

parámetros ajustables en los algoritmos. (Honeywell, 2006)

El algoritmo PID se ha utilizado con éxito en las industrias de procesos

desde la década de 1940 y sigue siendo el algoritmo más utilizado en la

actualidad. Puede parecer sorprendente para el lector que un algoritmo pueda

tener éxito en muchas aplicaciones: procesamiento de petróleo, generación

de vapor, procesamiento de polímeros y muchas más. Este éxito es el

resultado de las muchas buenas características del algoritmo. (Honeywell,

2006)

Figura 2. 3: Ejemplo de un diagrama de bloques de control PID.


Otro punto crucial en el control PID es lo que se denomina error, este

error es el que determinará el grado de respuesta que tendrá el control PID

en su salida. Se puede definir al error como una diferencia entre el valor de

26

configuración ideal con el valor que es medido por un sensor o un detector en

tiempo real. Cuando la variable de error se procesa en el control PID, la

respuesta de este sistema se conoce como valor de variable manipulada.

Parece lógico que el primer modo haga que la acción de control (es decir,

el ajuste de la variable manipulada) sea proporcional a la señal de error, ya

que a medida que aumenta el error, el ajuste a la variable manipulada debería

aumentar. Este concepto se realiza en el modo proporcional del controlador

PID. (Honeywell, 2006)

La ganancia del controlador es el primero de tres parámetros ajustables

que permiten al ingeniero adaptar el controlador PID a varias aplicaciones. La

ganancia del controlador tiene unidades de variables manipuladas sobre

controladas, que es la inversa de la ganancia de proceso. Tenga en cuenta

que el sistema incluye un término constante, que se utiliza durante la

inicialización del algoritmo. Durante la inicialización, el valor de la variable

manipulada debe permanecer sin cambios; por lo tanto, la constante de

inicialización se puede calcular en el momento de la inicialización.

El modo proporcional es simple, entrega un ajuste rápido de la variable

manipulada, no proporciona compensación de cero, aunque reduce el error,

acelera la respuesta dinámica y causa inestabilidad si se establece

incorrectamente. (Honeywell, 2006)

27

Como el modo proporcional no elimina por completo los efectos de las

perturbaciones, el siguiente modo debe ser persistente para ajustar la variable

manipulada hasta que la magnitud del error se reduzca a cero para una

entrada escalonada. La acción integral lo que busca es eliminar el error

mediante la suma o promedio del tiempo en el que este ocurre y sumándolo

al control proporcional.

Para mantener el valor del error a lo mínimo posible mediante una

corrección parcial o proporcional, se utiliza la acción derivativa. Esta acción

utiliza la misma cantidad de velocidad con la cual se produce un error para

poder corregirlo y no dejar que se incremente. Como este tipo de acción

predice o se adelanta en el tiempo, es entendible que sea un sistema muy

propenso al ruido. Usualmente, no se utiliza esta acción derivativa cuando se

tiene un ambiente muy vulnerable a perturbaciones extremas. (Honeywell,

2006)

28

CAPÍTULO 3: DESARROLLO DEL COMPONENTE PRÁCTICO.

3.1. Equipo electrónico y material necesario para la implementación del

robot.

3.1.1. Microcontrolador AVR ATMEGA32u4

El ATmega32U4 es un microcontrolador cuyo consumo es muy bajo,

posee lógica CMOS de 8 bits basado en la arquitectura de tipo RISC y

mejorada por AVR. Al ejecutar instrucciones potentes en un solo ciclo de reloj,

el ATmega32U4 logra rendimientos cercanos a 1 MIPS por MHz, lo que

permite al diseñador del sistema optimizar el consumo de energía en

comparación con la velocidad de procesamiento. (Atmel, 2010)

El núcleo AVR mezcla una provechosa cantidad de conjuntos como

instrucciones que poseen 32 registros para el uso en trabajo de enfoque

general. Absolutamente la totalidad de sus 32 registros permanecen

enlazados de forma directa a la sección de lógica aritmética, esto conlleva a

poder utilizar dos registros de forma independiente en una única línea de

instrucción que es ejecutada a través de un ciclo de reloj propio del

microcontrolador. La arquitectura resultante es más eficiente en cuanto a los

códigos, al tiempo que logra un rendimiento hasta diez veces más rápido que

los microcontroladores CISC convencionales. (Atmel, 2010)

El ATmega32U4 proporciona las siguientes características: 16 / 32K

bytes de Flash programable dentro del sistema con capacidades de lectura

mientras graba, 512 bytes / 1K bytes EEPROM, 1.25 / 2.5K bytes SRAM, 26

líneas de E / S de propósito general (salidas CMOS y LVTTL entradas), 32

29

registros de trabajo de uso general, cuatro temporizadores / contadores

flexibles con modos de comparación y PWM, un temporizador / contador de

alta velocidad con modos de comparación y fuente ajustable PLL, un USART

(incluidas señales de control de flujo CTS / RTS), un byte Interfaz serie

orientada de 2 hilos, un ADC de 12 canales y 10 bits con etapa de entrada

diferencial opcional con ganancia programable. (Atmel, 2010)

Figura 3. 1: Diagrama de salida de pines de un microcontrolador ATmega32u4.

Fuente: (Atmel, 2010)

3.1.2. Puente H o controlador de los motores IFX9201SG

El controlador de los motores que se usará en el prototipo será un circuito

integrado elaborado por la compañía Infineon Technologies, el modelo es

IFX9201SG, el cual es un puente H que tiene un uso estándar. Su principal

enfoque está en el control de motores de corriente continua, también se puede

usar para controlar cargas inductivas. Los pines de salida que tiene el

30

integrado pueden soportar modulaciones de ancho de pulso con el uso de

frecuencias con un límite de 20kHz. (Infineon technologies, 2015)

Posee un control de ancho de pulso combinado con los pines DIR, los

cuales están enfocados en habilitar la dirección o sentido de polarización de

la salida. Todo esto trabaja combinado, lo cual permite que la cantidad de

pines que son usados por parte del microcontrolador sea menor de la utilizada

por un controlador común y corriente que existen en el mercado. Cuando se

enfocan en las corrientes que ocupan las cargas, se tiene un límite de hasta

8 Amperios en el umbral de trabajo del integrado, y éste entra en un estado

de corto. Unas de las ventajas es que cuenta con protección en caso de algún

cortocircuito o una elevación de temperatura mayor de lo soportado por los

elementos del controlador de los motores. (Infineon technologies, 2015)

Posee un pin de comunicación serial, el cual puede enviar información

de regreso para indicar un posible error en el circuito. Posee un disipador de

calor interno creado a base de un cobre grueso, lo cual distribuye de forma

excelente el calor generado por la corriente al momento de uso de los motores.

Soporta soldadura de tipo óptica y superficial para tarjetas electrónicas.

(Infineon technologies, 2015)

Entre las características técnicas del circuito integrado se sabe que tiene

una posible lectura lógica entre tecnologías TTL y CMOS, con los respectivos

valores de voltaje de 3 voltios y 5 voltios, posee una corriente de consumo

muy baja cuando el circuito se mantiene a la espera, posee un sistema de

31

protección de cortocircuito cuando la temperatura y la corriente excede el nivel

máximo. (Infineon technologies, 2015)

Figura 3. 2: Diagrama de salida de pines de un controlador IFX9201SG.

Fuente: (Infineon technologies, 2015)

3.1.3. Sensor Reflectante QRE1113

Los interruptores reflectivos consisten en un dispositivo emisor de

infrarrojos (LED o VCSEL) y un fototransistor de silicio NPN montado "uno al

lado del otro" en un eje paralelo en una carcasa de plástico opaca negra.

Todos los interruptores reflectivos tienen un dispositivo emisor y un

fototransistor que están encapsulados en un epoxi filtrante visible. El

fototransistor responde a la radiación del emisor solo cuando un objeto

reflectante pasa dentro de su campo de visión. El fototransistor ha mejorado

el balanceo de baja corriente para mejorar la relación de contraste y la

inmunidad a la irradiación de fondo. Las versiones LED están diseñadas para

aplicaciones de campo cercano. La versión VCSEL está diseñada para

distancias más largas. (Fairchild, 2009)

32

Figura 3. 3: Diagrama de estructura de un sensor reflectante QRE1113.

Fuente: (Fairchild, 2009)

Las distancias de reflexión dependen de la corriente de activación para

el dispositivo emisor de luz, la longitud de onda de la fuente de luz y el tipo de

material reflectante; por lo tanto, cada aplicación debe verificarse para poder

cumplir cada requisito, en nuestro caso, se aplicará en un prototipo que lea el

contraste de una línea negra en un fondo blanco, y nos medirá el contraste

mediante el arreglo de sensores que se piensa diseñar en la tarjeta

electrónica. (Fairchild, 2009)

3.1.4. Motores de corriente continua DC POLOLU relación 10:1

Estos motores tienen un tamaño muy pequeño que los típicos motores

que se alimentan con corriente continua que se encuentran en el mercado, la

marca Pololu tiene una extensa categoría y tipos de relaciones en engranajes,

los cuales se enfocan tanto en la producción que puede generar el motor en

torque y velocidad.

Existen relaciones de 5: 1 hasta una máxima de 100:1, a todas estas

relaciones se le pueden adaptar distintos tipos de motores entre los de

potencia elevada que se enfocan en voltajes de 6 hasta 12, los cuales tienen

escobillas carbonizadas, también existen los que trabajan solo hasta 6 voltios,

33

pero de alta potencia, los de media y baja potencia que poseen escobilla de

tipo cepillo elaboradas con materiales de metal precioso, el cual tiene una vida

útil menos larga que los anteriores.

Figura 3. 4: Imagen de un motor dc POLOLU con relación 10:1.

Fuente: (Pololu, 2016)

3.1.5. Codificador magnético para motor POLOLU DC

Los codificadores magnéticos funcionan bien en entornos hostiles a los

tipos de contacto donde cualquiera de las técnicas de exploración magnética

se puede emplear con éxito.

Sin embargo, los altos flujos de ambiente o las densidades de radiación

pueden destruir el patrón del disco o inhibir el funcionamiento del núcleo

saturado. Se requiere una mayor precaución contra la interferencia

electromagnética mutua cuando los codificadores magnéticos están incluidos

en el sistema. (Dynamics research, 2002)

Se utilizará para el control de los motores el codificador magnético que

se adapta al motor Pololu. Trabaja de 2.7 a 18 voltios y es compatible con

HPCB.

34

Figura 3. 5: Imagen de codificador magnético POLOLU.

Fuente: (Pololu, 2015)

3.1.6. Dispositivo integrado regulador de voltaje Motorola MC33269

La serie MC33269 son reguladores de voltaje positivo de baja caída, de

corriente media, fijos y ajustables, diseñados específicamente para uso en

aplicaciones de bajo voltaje de entrada. Estos dispositivos ofrecen al

diseñador de circuitos una solución económica para la regulación de voltaje

de precisión, manteniendo al mínimo las pérdidas de energía. (Motorola,

2005)

El regulador consiste en un transistor de paso PNP-NPN compuesto de

caída de 1,0 V, limitación de corriente y apagado térmico. (Motorola, 2005)

Entre sus principales características técnicas se tienen:

Modelos de 3.3 V, 5.0 V, 12 V y versiones ajustables.

Ahorro de espacio en los paquetes de energía DPAK, SOP-8.

Abandono de 1.0 V.

Corriente de salida en exceso de 800 mA.

Protección térmica.

35

Protección de cortocircuito.

Salida recortada al 1.0% de tolerancia. (Motorola, 2005)

3.1.7. Dispositivo convertidor reductor de corriente continua Texas

Instruments TPS54340

El TPS54340 es un convertidor reductor de 42 V, 3.5 A con un alto

integrado MOSFET lateral. El dispositivo sobrevive a los pulsos de descarga

de carga de hasta 45 V por ISO 7637. El control de modo actual proporciona

compensación externa simple y selección flexible de componentes. Permite

que el modo de omisión de impulsos de impulsos reduzca la corriente de

suministro sin carga a 146 μA. (Texas Instruments, 2017)

La corriente de suministro de desconexión se reduce a 1 μA cuando el

pin de habilitación está bajo. El bloqueo de sub tensión se configura

internamente a 4.3 V pero puede aumentarse usando el pin de habilitación.

La rampa de inicio de la tensión de salida está controlada internamente para

proporcionar un arranque controlado y eliminar el sobre impulso. Un amplio

rango de frecuencia de conmutación permite optimizar la eficiencia o el

tamaño del componente externo. (Texas Instruments, 2017)

Figura 3. 6: Diagrama de distribución de puertos del integrado TPS54340.

Fuente: (Texas Instruments, 2017)

36

Figura 3. 7: Esquemático simplificado de funcionamiento del integrado TPS54340.


La frecuencia de retroceso y el apagado térmico protegen los

componentes internos y externos durante una condición de sobrecarga. El

TPS54340 está disponible en un paquete HSOP térmicamente mejorado de 8

terminales. (Texas Instruments, 2017)

3.1.8. Modulo Inercial iNEMO

El LSM9DS1 es un sistema en paquete que incluye un sensor de

aceleración lineal digital en 3D, un sensor de velocidad de tipo angular digital

3D y un sensor magnético digital en 3D. El LSM9DS1 tiene una escala lineal

de aceleración lineal de ± 2 g / ± 4g / ± 8 / ± 16 g, una escala completa de

campo magnético de ± 4 / ± 8 / ± 12 / ± 16 gauss y una velocidad angular de

± 245 / ± 500 / ± 2000 dps. (STmicroelectronics, 2013)

37


Fuente: (STmicroelectronics, 2013)

El LSM9DS1 incluye una interfaz de bus serie I2C compatible con modo

estándar y rápido (100 kHz y 400 kHz) y una interfaz estándar de serie SPI.

La detección magnética, acelerómetro y giroscopio se puede habilitar o

configurar en el modo de apagado por separado para la administración

inteligente de la energía. (STmicroelectronics, 2013)

El LSM9DS1 está disponible en un paquete de matriz de rejilla terrestre

de plástico (LGA) y está garantizado para operar en un rango de temperatura

extendido de -40 ° C a +85 ° C. (STmicroelectronics, 2013)

3.1.9. Módulos de receptor infrarrojo TSOP4840

Las series TSOP22, TSOP48, TSOP24 y TSOP44, son módulos de

receptor infrarrojo (IR) miniaturizados para sistemas de control remoto

38

controlados a distancia obviamente por infrarrojos. Un diodo PIN y un

preamplificador se ensamblan en el marco principal, el paquete epoxi contiene

un filtro IR. La señal de salida demodulada se puede conectar directamente a

un microprocesador para decodificar. (Vishay Semiconductors, 2018)


Fuente: (Vishay Semiconductors, 2018)

Los dispositivos de la serie TSOP24, TSOP44 están optimizados para

suprimir casi todos los impulsos espurios de las fuentes Wi-Fi y CFL. Pueden

suprimir algunas señales de datos si se transmiten continuamente. Los

dispositivos de la serie TSOP22, TSOP48 se proporcionan principalmente

para compatibilidad con viejos diseños AGC2. Los nuevos diseños deberían

preferir las series TSOP24, TSOP44 que contienen el AGC4 más nuevo.

Estos componentes no han sido calificados de acuerdo con las

especificaciones del móvil. (Vishay Semiconductors, 2018)

A continuación, se describen sus principales características:

• Inmunidad mejorada contra el ruido de HF y RF.

• Baja corriente de suministro.

• Detector de fotos y preamplificador en un paquete.

• Filtro interno para frecuencia PCM.

• Voltaje de suministro: 2.5 V a 5.5 V.

• Mejora de la inmunidad contra el ruido óptico.

39

• Insensible al suministro de ondulación de voltaje y ruido. (Vishay

Semiconductors, 2018)

3.1.10. Multiplexor analógico / demultiplexor de 16 canales de alta

velocidad CMOS CD74HC4067

Los dispositivos CD74HC4067 son conmutadores analógicos

controlados digitalmente que utilizan CMOS como tecnología de

comunicación entre periférico y receptor de datos, tiene una compuerta de

silicio para lograr velocidades de operación similares a LSTTL, con el bajo

consumo de energía de los circuitos integrados CMOS estándar. (Texas

Instruments, 2018)

Estos multiplexores / de-multiplexores analógicos controlan voltajes

analógicos que pueden variar a través del rango de suministro de voltaje. Son

conmutadores bidireccionales que permiten que cualquier entrada analógica

se use como salida y viceversa. Los interruptores tienen baja resistencia de

"encendido" y bajas fugas de "desconexión". Además, estos dispositivos

tienen un control de habilitación que cuando está alto deshabilita todos los

interruptores a su estado "apagado". (Texas Instruments, 2018)

40

Figura 3. 10: Diagrama de distribución de puertos del integrado CD74HC467.


3.2. Diseño de la placa de circuito impreso PCB

La evolución del proceso de diseño de PCB ha progresado

considerablemente desde los días de las mesas de luz, cinta y Mylar. Los años

80 introdujeron el primer software de diseño de PCB, marcando una nueva

era en la capacidad y la tecnología de autoría de diseño. (Altium, 2016)

Antes de realizar el diseño electrónico en el programa Altium, se necesitó

realizar un diseño esquemático total de los componentes electrónicos

necesarios, tal como se muestra en la figura 3.1. El microcontrolador, los

sensores, los reguladores, los codificadores y multiplexores necesarios para

tener una idea de la cantidad de periféricos necesarios para el desarrollo de

la tarjeta electrónica.

En las figuras 3.12, 3.13 y 3.14 se muestran los diseños de la PCB para

el prototipo seguidor de línea, es decir, el diseño periférico, los elementos, las

pistas de comunicación y los elementos mecánicos en compañía de la fuente

alimentación.

41

Figura 3. 11: Diagrama esquemático de elementos principales del prototipo

seguidor de línea.


. Figura 3. 12: Diagrama de limites periféricos y elementos principales del prototipo

seguidor de línea.


42

Figura 3. 13: Diagrama de distribución de pistas del prototipo seguidor de línea.


. Figura 3. 14: Diagrama de distribución completa del prototipo seguidor de línea.


Al momento de diseñar la tarjeta electrónica, se realizaron múltiples

búsquedas y en conjunto al conocimiento adquirido en torneos de robótica en

los cuales he asistido y participado personalmente, el diseño mostrado a

43

continuación es a criterio propio el más liviano, estable y veloz que se pueda

diseñar para este tipo de prototipo.

Figura 3. 15: Simulación en tres dimensiones del prototipo finalizado.


3.3. Código de control con sistema de control proporcional, integral y

derivativo PID.

A continuación, se muestran líneas de código que forman parte del

algoritmo de control pertenecientes al prototipo seguidor de línea.

Figura 3. 16: Declaración de variables que se usarán en funciones.


44

Figura 3. 17: Creación de función SET_MOTORS para control de motores.


Figura 3. 18: Creación de función QTRreadLine para detectar línea negra.


45

Figura 3. 19: Configuración de variables entrada/salida y calibración.


46

Figura 3. 20: Creación del bucle principal utilizando control PID.


47

Conclusiones

Después de toda la recopilación de información realizada tanto en la

parte teórica como en la parte de implementación, ha sido provechosa pues

ha servido de referencia y de guía para saber qué tipo de elementos usar

cuando se necesita solucionar un problema.

Al momento de investigar y saber con profundidad en lo que se está

trabajando. Se comenzó revisando las posibles soluciones que existen en el

mercado. Realizar una lista de opciones de microcontroladores disponibles

fue favorable para estar seguros de que se cuenta con el mejor, luego de eso

es bueno realizar un diseño esquemático de la circuitería electrónica, para

saber que componentes se van a necesitar para que exista una correcta

comunicación entre el centro de control y sus elementos periféricos.

En el diseño de la circuitería electrónica total fue sencillo y con un buen

acabado gracias al buen programa de diseño, el cual es muy completo con

sus herramientas y medios interactivos con el usuario, para estar seguros que

nuestro trabajo al momento de mandarlo a imprimir vaya a terminar de la mejor

manera posible, se utilizó la simulación en 3D para ver el acabado.

Se debe seleccionar de igual manera un entorno de programación que

cumpla con las mismas características que el programa de diseño. Arduino

cuenta con un interfaz de desarrollo de código muy amigable y simple de

entender para la realización de la programación de alto nivel.

48

Recomendaciones

Es importante saber con qué elementos se están trabajando, esto quiere

decir que al momento de diseñar o elaborar cualquier sistema electrónico, las

características de todos los elementos electrónicos debe ser tomada en

cuenta. Las hojas de datos que acompañan a los elementos electrónicos

establecen cuales son los valores ideales en los cuales trabajan sin ningún

inconveniente. Tener en cuenta todos los elementos y sus características al

momento de diseñar una tarjeta, nos proporciona una seguridad y confianza

vital al momento de trabajar con ese sistema.

Cuando se diseña un nuevo prototipo, es recomendable que éste cuente

con las mismas o mejores características que los diseños ya existentes que

cumplen su misma función. Para esto, es importante realizar una profunda

investigación que nos oriente y nos de ideas importantes, para mejorar y de

esta manera evolucionar nuestro producto final. Realizar prototipos que

tengan una mejor tecnología, nos brinda reconocimiento y nos enseña cómo

ser mejores profesionales.

49

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https://www.vishay.com/docs/82459/tsop48.pdf

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, VEGA ZAMBRANO, ROBERT ANDRÉS con C.C: # 0922457106 autor del Trabajo de Titulación: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR DE LÍNEA VELOCISTA CONTROLADO CON FUNCIÓN PID UTILIZANDO UN ATMEGA 32U4 previo a la obtención del título de INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES en la Universidad Católica de Santiago de Guayaquil.

1.- Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las instituciones de educación superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de titulación para que sea integrado al Sistema Nacional de Información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.

2.- Autorizo a la SENESCYT a tener una copia del referido trabajo de titulación, con el propósito de generar un repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

Guayaquil, 8 de Marzo de 2018

f. _____________________________________

Nombre: VEGA ZAMBRANO, ROBERT ANDRÉS

C.C: 0922457106

REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA

FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE TITULACIÓN

TÍTULO Y SUBTÍTULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR DE LÍNEA VELOCISTA CONTROLADO CON FUNCIÓN PID UTILIZANDO UN ATMEGA 32U4

AUTOR(ES) VEGA ZAMBRANO, ROBERT ANDRÉS

REVISOR(ES)/TUTOR(ES) M. Sc. EDWIN F. PALACIOS MELÉNDEZ

INSTITUCIÓN: Universidad Católica de Santiago de Guayaquil

FACULTAD: Facultad de Educación Técnica para el Desarrollo

CARRERA: Ingeniería en Telecomunicaciones

TITULO OBTENIDO: Ingeniero en Telecomunicaciones

FECHA DE PUBLICACIÓN: 8 de Marzo de 2018 No. DE PÁGINAS: 50

ÁREAS TEMÁTICAS: Electrónica, Sistemas Digitales y Microcontroladores

PALABRAS CLAVES/ KEYWORDS:

SEGUIDOR DE LINEA, ATMEGA 32U4, PID, IDE, ARDUINO, PCB.

RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras): La creación del actual trabajo de titulación se basó de primera mano, en una pequeña investigación de tipo bibliográfica enfocada en los seguidores de líneas, para poder concretar las definiciones que son fundamentales conocer, para entender cómo funcionan los distintos tipos de controles existentes. Cuando se realizó la búsqueda, se pudo revisar y analizar los planes y proyectos que se encontraron en su mayoría dentro del servidor de publicaciones técnicas y tecnológicas profesionales pertenecientes al Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) que está establecido actualmente en Internet. Se entendió los parámetros y condiciones que debería tener un seguidor de línea velocista, y también, en los distintos tipos de controles que existen en el mundo de la automatización. En el caso actual, se utilizó un control PID para poder tener una respuesta inteligente y lo más inmediatamente posible del robot en sus motores. Una vez entendido todo esto, se procedió a trabajar en el desarrollo de la placa de circuito impreso (Print Circuit Board, PCB) en el programa Altium Designer. Para poder realizar la programación, se utilizó el entorno de desarrollo integrado (Integrated Development Environment, IDE) que posee Arduino para el microcontrolador Atmega 32u4.

ADJUNTO PDF: SI NO

CONTACTO CON AUTOR/ES:

Teléfono: +593-9-79227321 E-mail: [email protected]

CONTACTO CON LA INSTITUCIÓN: COORDINADOR DEL PROCESO DE UTE

Nombre: Palacios Meléndez Edwin Fernando

Teléfono: +593-9-68366762

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